張亞鋒，何亞峰

(常州工學(xué)院 江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213002)

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陶瓷膜中試流程控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

張亞鋒，何亞峰

(常州工學(xué)院 江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213002)

為了滿(mǎn)足新型陶瓷膜中試流程各操作參數(shù)處于最優(yōu)值，在分析陶瓷膜中試流程結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，分別對(duì)控制系統(tǒng)總體方案和系統(tǒng)軟硬件展開(kāi)設(shè)計(jì)；提出采用三回路專(zhuān)家PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差、流量的精確控制；系統(tǒng)由PLC為控制器，觸摸屏為上位機(jī)，壓力變送器、流量變送器及溫度變送器為反饋單元，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成；運(yùn)行結(jié)果顯示，對(duì)進(jìn)料泵出口流量、循環(huán)泵出口流量跟蹤控制時(shí)，誤差在5%內(nèi)，對(duì)陶瓷膜回路進(jìn)出口模擬差壓跟蹤控制時(shí)，誤差在3.3%內(nèi)，表明系統(tǒng)控制精度高，且魯棒性好。

PLC； 陶瓷膜中試； 專(zhuān)家PID； 控制系統(tǒng)

0 引言

陶瓷膜以抗污染強(qiáng)、清洗徹底、膜孔徑集中、能精確分離某一組分廣泛用于煉油石化、廢水處理等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]，其過(guò)濾方式屬于錯(cuò)流過(guò)濾，在壓力作用下，原料液在管壁密布微孔的膜管內(nèi)或外側(cè)與膜平行或沿膜的切線(xiàn)方向流動(dòng)，小分子物質(zhì)(或液體)透過(guò)膜，大分子物質(zhì)(或固體顆粒、液體液滴)被膜截留，從而達(dá)到固液分離、濃縮和純化之目的，為了提高膜通量，原料液經(jīng)陶瓷膜，除產(chǎn)生滲透液外，其它作為循環(huán)流體在循環(huán)泵的作用下，以高速度在膜表面流動(dòng)，以使料液流經(jīng)膜面時(shí)產(chǎn)生的剪切力把膜面上滯留的顆粒沖刷帶走，防止?jié)獠顦O化、膜孔堵塞等膜污染現(xiàn)象的發(fā)生，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)料液溫度的迅速提升。因此為了讓膜具有最佳的膜通量和截留率，須讓膜處于最佳的操作參數(shù)環(huán)境下工作，其最佳的操作參數(shù)為過(guò)濾壓差、錯(cuò)流速度和溫度。對(duì)一種陶瓷膜，其存在臨界壓力，低于臨界壓力，壓差越大膜通量越大，高于臨界壓力，一方面不利于膜過(guò)濾過(guò)程能耗的降低且反而易于產(chǎn)生膜污染，另一方面受限于煉化廠某些料液的限制以及膜結(jié)構(gòu)本身的限制。錯(cuò)流速度雖然帶來(lái)較高的剪切速度，但過(guò)高的速度一方面增加能耗，另一方面反而會(huì)使膜孔易被堵塞。溫度升高會(huì)使料液粘度下降，利于膜通量的增加，但過(guò)高的溫度又會(huì)使料液中的某些成分吸附污染加劇，并改變料液的性質(zhì)，影響料液溫度的主要因素是料液的速度。因此，需設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，讓陶瓷膜處于最佳操作參數(shù)下工作。

1 陶瓷膜中試流程與工作原理

圖1所示為陶瓷膜中試流程管道圖，流量變送器FT001、壓力變送器PT001分別安裝于進(jìn)料泵101出口管道處，F(xiàn)T002安裝于循環(huán)泵102出口管道處，PT002、PT003壓力變送器分別安裝于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V15前和電動(dòng)閥V5前。TT001溫度變送器安裝于循環(huán)泵進(jìn)口處。經(jīng)回路1陶瓷膜和回路2陶瓷膜出來(lái)的滲透液進(jìn)入清洗箱滲透液容器中，該容器上方安裝有液位開(kāi)關(guān)，當(dāng)液位至位時(shí)電動(dòng)閥V17關(guān)閉?；芈?工作時(shí)，電動(dòng)閥V9、V11、V13打開(kāi)，料液經(jīng)進(jìn)料泵101，進(jìn)入陶瓷膜回路1進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾?；芈?工作時(shí)，電動(dòng)閥V10、V12、V14打開(kāi)，料液經(jīng)進(jìn)料泵101，進(jìn)入陶瓷膜回2進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾。設(shè)置兩個(gè)回路的陶瓷膜，目的是當(dāng)一個(gè)回路膜發(fā)生嚴(yán)重膜污染時(shí)，該回路停止工作，進(jìn)入沖洗流程，另一個(gè)回路的陶瓷膜投入工作。沖洗兩回路的膜時(shí)，由清洗泵P103及相應(yīng)的電動(dòng)閥V18、V26、V28、V20、V22、V23、V24、V25、V28及V29投入運(yùn)行。由圖1所示看出，進(jìn)料泵101的出口流量由旁路調(diào)節(jié)閥V6的開(kāi)度決定，循環(huán)泵102的出口流量由調(diào)節(jié)閥V33決定，兩回路膜中的壓差(PT001-PT003)值由調(diào)節(jié)閥V15決定,這3個(gè)參數(shù)影響各回路中陶瓷膜的工作性能，且二流量和差壓變化方向與各自調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度成反向關(guān)系。

圖1 陶瓷膜中試流程管道示意圖

2 系統(tǒng)任務(wù)需求與總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)任務(wù)需求

1) P101和P012泵的出口流量須穩(wěn)定在設(shè)定值，設(shè)定值根據(jù)中試條件設(shè)定。P101進(jìn)料泵的作用是保證料液進(jìn)入管道時(shí)有一很大的壓力值，同時(shí)保證料液有一個(gè)初速度。P102循環(huán)泵的出口流量是保證料液有一個(gè)很大的循環(huán)速度。因此通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的旁路調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量的設(shè)定值跟蹤。

2) 陶瓷膜的進(jìn)出口壓差影響著陶瓷膜的工作性能，設(shè)定值為0.3 MPa，小于0.3 MPa時(shí)，系統(tǒng)陶瓷膜回路正常運(yùn)行，大于0.3 MPa小于0.4 MPa時(shí)，調(diào)節(jié)閥V15的開(kāi)度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度有一最大值0.5。當(dāng)大于等于0.4 MPa時(shí)，相應(yīng)的陶瓷膜回路停止運(yùn)行，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的沖洗流程，同時(shí)另外一組陶瓷膜回路投入運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為0.5。

3)循環(huán)泵進(jìn)口處的溫度大于閾值時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)控制方案

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)陶瓷膜中試流程原理和任務(wù)需求，系統(tǒng)方案如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用PLC作為控制器，采集各類(lèi)型信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的控制算法和邏輯計(jì)算，控制相應(yīng)的水泵電機(jī)、電動(dòng)閥，通過(guò)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥獲取陶瓷膜中試流程所要求的最佳操作參數(shù)。觸摸屏作為上位機(jī)，與PLC間通過(guò)RS-485進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和狀態(tài)的監(jiān)控，并顯示各種信號(hào)采集信息。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型

控制系統(tǒng)信號(hào)分為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)：

1) 輸入信號(hào)主要由開(kāi)關(guān)按鈕、液位開(kāi)關(guān)給出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，流量變送器、壓力變送器和溫度變送器給出的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20 mA。經(jīng)計(jì)算，開(kāi)關(guān)量信號(hào)有19個(gè)，模擬量信號(hào)有10個(gè)。

2) 輸出信號(hào)有控制水泵電機(jī)和電動(dòng)閥的繼電接觸器信號(hào)，同時(shí)還有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)4～20 mA。經(jīng)計(jì)算，繼電接觸器信號(hào)有23個(gè)，模擬量信號(hào)有3個(gè)。

根據(jù)輸入輸出信號(hào)，確定PLC I/O數(shù)量，選取PLC主機(jī)型號(hào)為西門(mén)子S7-200 CPU226，1個(gè)8輸出數(shù)字量模塊EM222，1個(gè)4進(jìn)1出模擬量模塊EM235，2個(gè)4進(jìn)模擬量模塊EM231，1個(gè)2出模擬量模塊EM232。經(jīng)計(jì)算，各模塊電流消耗總和小于主機(jī)電源電流負(fù)載最大值，滿(mǎn)足PLC運(yùn)行條件。

3.2 觸摸屏選型

人機(jī)界面是系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵部件，通過(guò)它既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)置控制參數(shù)，將來(lái)自PLC的實(shí)時(shí)資料取樣數(shù)據(jù)以趨勢(shì)圖形式顯示出來(lái)，并能保存到U盤(pán)，同時(shí)又能將來(lái)自PLC的數(shù)據(jù)編入結(jié)構(gòu)化的報(bào)表，通過(guò)USB存儲(chǔ)器存儲(chǔ)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)的配方數(shù)據(jù)，這些功能使得控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的柔性，使得陶瓷膜能針對(duì)不同性質(zhì)的料液進(jìn)行過(guò)濾。因此綜合性?xún)r(jià)比，選擇具有RS-485通信口的威綸MT6000 T Series的10英寸彩屏。

3.3 PLC端口地址分配

PLC主要的輸入/輸出端口地址分配如表1所示。

表1 PLC I/O地址分配及功能表

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制算法

PID算法離散表達(dá)式[4-5]如式(1)所示：

(1)

參數(shù)kP、kI、kD分別為PID比例項(xiàng)系數(shù)、積分項(xiàng)系數(shù)和微分項(xiàng)系數(shù)。U(k)為在第k個(gè)采樣時(shí)刻PID回路輸出的計(jì)算值，e(k)為在第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，e(k-1)為在第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值(偏差前值)，Unitial為PID回路的輸出初值。設(shè)采樣周期為T(mén)s。

由式(1)看出，積分項(xiàng)包含從第1個(gè)采樣到當(dāng)前采樣的所有偏差，實(shí)際計(jì)算時(shí)不可能保存所有采樣的偏差，因此將式(1)轉(zhuǎn)化為遞推方程，如式(2)所示：

(2)

式(2)中UX為第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)，即積分項(xiàng)前值，將式中比例項(xiàng)改為式(3)所示，積分項(xiàng)改為式(4)所示，微分項(xiàng)改為式(5)所示。式(3)中SPk為第k個(gè)采樣時(shí)刻的給定值，PVk為第k個(gè)采樣時(shí)刻的過(guò)程變量反饋值。式(4)中的TI為積分時(shí)間常數(shù)，第一次計(jì)算時(shí)UX的初值被設(shè)置為Unitial。式(5)中的TD為微分時(shí)間常數(shù)，SPk-1第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的給定值，PVk-1第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的過(guò)程變量反饋值，即過(guò)程變量前值。

(3)

(4)

(5)

給定值和過(guò)程變量都是實(shí)際工程物理量，其數(shù)值大小、范圍和測(cè)量單位都可能不一樣，在PID程序執(zhí)行前必須把它們轉(zhuǎn)換成無(wú)量綱、標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)，其范圍即為0.0～1.0，同理，在PID程序執(zhí)行結(jié)束前需將回路輸出的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成寫(xiě)入模擬量寄存器的16位整數(shù)，以利于獲取驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量信號(hào)。

因此執(zhí)行PID程序時(shí)，確定采樣周期Ts和設(shè)定值SPk的前提下，給定比例項(xiàng)系數(shù)kP、積分項(xiàng)系數(shù)kI和微分項(xiàng)系數(shù)kD，經(jīng)傳感器獲取實(shí)際變量反饋值PVk就可以得到PID回路的輸出。

由于陶瓷膜中試流程需通過(guò)不同物理性質(zhì)的料液驗(yàn)證膜的性能，系統(tǒng)會(huì)在不同的工作狀態(tài)和誤差情況、多種環(huán)境、不同的對(duì)象特性及非線(xiàn)性、大偏差情況下工作，上述PID回路在靈活性、適應(yīng)性及魯棒性等方面顯然不能滿(mǎn)足，因此利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PID顯然可以滿(mǎn)足系統(tǒng)任務(wù)需求第(2)條，而P101、P102泵的出口流量則可以采用上述PID算法。針對(duì)陶瓷膜進(jìn)出口差壓控制的專(zhuān)家PID控制原理實(shí)則是在上述PID算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制區(qū)域劃分，原理如下：

1) 當(dāng)0+

2) 當(dāng)-0.1 MPa

3)當(dāng)e(k)≤-0.1 MPa時(shí)，PID控制器保持輸出不變或按某一定值(如0.5)輸出，脫離PID調(diào)節(jié)作用。

上述輸出定值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在針對(duì)不同料液的錯(cuò)流過(guò)濾處理時(shí)作為經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行存儲(chǔ)。PID的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試湊法[6]獲取，作為經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行存儲(chǔ)。圖3所示為陶瓷膜差壓控制模型，圖中壓力變送器輸出信號(hào)為4～20 mA，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)也為4～20 mA。

圖3 陶瓷膜差壓控制模型

4.2 程序設(shè)計(jì)

對(duì)101泵、102泵的出口流量控制采用一般PID控制即可，對(duì)陶瓷膜壓差控制采用專(zhuān)家PID，因此系統(tǒng)采用三回路的PID控制。三回路PID在同一個(gè)定時(shí)中斷程序中執(zhí)行，并采用同一個(gè)采樣周期，中斷程序中對(duì)各回路PID以使能方式控制，這種方案的優(yōu)點(diǎn)一方面利于系統(tǒng)以同樣的采樣周期采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同步控制，利于陶瓷膜性能的穩(wěn)定，另一方面，中斷程序中采用使能方式控制PID，有利于PID實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)的手動(dòng)/自動(dòng)切換，在專(zhuān)家PID執(zhí)行過(guò)程中，也有利于獲取專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

圖4所示為專(zhuān)家PID程序結(jié)構(gòu)圖，圖中初始化主要是對(duì)PID參數(shù)、采樣周期、定時(shí)中斷時(shí)間和被控量設(shè)定值進(jìn)行初始化，其中采樣周期與定時(shí)中斷時(shí)間須一致。表2為專(zhuān)家PID回路參數(shù)表，占用36個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，表中變量類(lèi)型為輸入/輸出，表明在手動(dòng)狀態(tài)下，可以給相應(yīng)的變量賦值，目的是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)的PID輸出控制，同時(shí)也是為了獲取PID專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

圖4 專(zhuān)家PID程序結(jié)構(gòu)

4.3 監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)三回路PID控制，必須通過(guò)上位監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，因此系統(tǒng)采用威綸觸摸屏TK6070IH進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5所示為三回路PID參數(shù)設(shè)置及操作畫(huà)面。

表2 專(zhuān)家PID回路參數(shù)表

圖5 三回路PID參數(shù)設(shè)置及操作畫(huà)面

圖5(a)中實(shí)測(cè)值即為過(guò)程變量實(shí)時(shí)反饋值，圖5(b)中可手動(dòng)設(shè)置閥位開(kāi)度，按下發(fā)送閥位信號(hào)按鈕，使得PID回路輸出一定值，一方面類(lèi)似于信號(hào)發(fā)生器，可以驗(yàn)證閥的開(kāi)度，另一方面可使PID輸出一固定值，有利于PID的調(diào)節(jié)。按下各回路PID使能切換開(kāi)關(guān)，可以方便操作PID的手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)中進(jìn)料101泵的參數(shù)為流量為2 m3/h，揚(yáng)程為200 m,循環(huán)102泵的參數(shù)為流量為25 m3/h，揚(yáng)程為30 m,以滿(mǎn)足系統(tǒng)任務(wù)需求第(1)條。運(yùn)行時(shí)，進(jìn)料泵和循環(huán)泵的出口流量?jī)苫芈稰ID控制器的參數(shù)易獲取，對(duì)應(yīng)的比例增益分別是30、28，積分參數(shù)分別是7分鐘，10分鐘，微分參數(shù)都為0，跟蹤精度均小于5%。但由于陶瓷膜不可能在短時(shí)間內(nèi)就有較大的差壓，因此獲取差壓PID回路的參數(shù)是在差壓設(shè)定值為0.06 MPa的情況下獲取，增益為20,積分參數(shù)為14分鐘。通過(guò)在觸摸屏上設(shè)置采樣周期0.2 秒，由采樣通道建立取樣數(shù)據(jù)庫(kù)并保存到U盤(pán)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲取圖6所示差壓專(zhuān)家PID回路曲線(xiàn)圖。

圖6 專(zhuān)家PID運(yùn)行結(jié)果曲線(xiàn)

由圖6(a)、(b)所示，在2.2秒之前，差壓變量過(guò)程反饋值小于60 KPa時(shí)，PID輸出使得V15調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一直是零， 在2.4秒時(shí)，由于受陶瓷膜的截留率影響，差壓迅速上升至103 KPa，相當(dāng)于給系統(tǒng)一階躍信號(hào)，PID迅速給出信號(hào)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度從關(guān)閉狀態(tài)迅速至0.05開(kāi)度，讓差壓維持在60 KPa附近，在約3秒時(shí)，V15閥的開(kāi)度保持在0.02附近，差壓誤差也迅速由-43 KPa至0附近，在約3.4秒時(shí)，系統(tǒng)完全穩(wěn)定，差壓值穩(wěn)定在58.1 KPa，跟蹤精度達(dá)3.3%。由圖6所示曲線(xiàn)看出，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，證明了專(zhuān)家PID控制策略的優(yōu)越性,提高了系統(tǒng)的魯棒性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，成功運(yùn)用了三回路PID控制策略，有效提高了系統(tǒng)的魯棒性、靈活性及適應(yīng)性。系統(tǒng)在青島煉化廠和寧波鎮(zhèn)海煉化廠進(jìn)行了無(wú)人化值守運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，在處理不同料液的過(guò)程中獲取了該新型陶瓷膜有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)接下來(lái)的小批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 潘艷秋，王文娟，王婷婷,等.基于油水分離的陶瓷膜基雙層復(fù)合動(dòng)態(tài)膜的制備和應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2015，48(3)：269-273.

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Development of Control System for Ceramic Membrane Pilotscale Experiment

Zhang Yafeng， He Yafeng

(Jiangsu Key Lab of Numeric Electrochemical Machining, Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002，China)

In order to obtain the optimal values of the operating parameters of the new ceramic membrane, on the basis of analysis of the structure and working principle of the ceramic membrane, the overall plan of the control system and the hardware subsystem and software subsystem are designed severally. A method was presented to achieve accurate control of differential pressure and flow through three loop expert PID control algorithm. Control system was designed with PLC for main controller, touch screen as the upper computer, pressure transmitter, flow transmitter and temperature transmitter for feedback device and electricity-controlled ratio valve for actuator. Running results show that when the value of the feed liquid pump outlet flow and circulation pump outlet flow are set, tracking error is within 5%, when the simulated import and export differential pressure value of ceramic membrane loop is set, tracking error is in 3.3%, and the system has the virtue of high control precision and good robustness.

PLC; ceramic membrane; expert PID; control system

2015-12-18；

2016-01-17。

張亞鋒(1976-)，男，江蘇泰興人，講師，研究生，主要從事光機(jī)電一體化方向的研究。

1671-4598(2016)06-0113-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.031

TP29

A